低功耗電源的電感挑選
超低功率或許超高功率開關(guān)電源|穩(wěn)壓器的電感,并不象通常開關(guān)電源那樣簡略挑選。當(dāng)前慣例的電感都是為一些干流規(guī)劃所制作,并不能極好地滿意一些特別規(guī)劃。這篇文章首要評(píng)論超低功率、超高功率Buck電路的電感挑選疑問。典型使用實(shí)例即是小體積電池長期供電設(shè)備。在這種電路中,讓工程師感到扎手的疑問首要是電池容量(本錢與體積)與Buck電路體積、功率之間的對(duì)立。為了減小開關(guān)電源的體積,最佳挑選盡能夠高的開關(guān)頻率。可是開關(guān)損耗以及輸出電感的損耗會(huì)跟著開關(guān)頻率的進(jìn)步而增大,而且很有能夠變成影響功率的首要因素,正是這些對(duì)立大大進(jìn)步了電路規(guī)劃的難度。
Buck電路的電感需求
對(duì)工程師而言,鐵磁性元件(電感)能夠是最早觸摸的非線性器材。可是依據(jù)制作商供給的數(shù)據(jù),很難猜測電感在高頻時(shí)的損耗。因?yàn)橹谱魃掏ǔＶ还┙o比方開路電感、作業(yè)電流、飽滿電流、直流電阻以及自激頻率等參數(shù)。關(guān)于大多數(shù)開關(guān)電源規(guī)劃來說,這些參數(shù)現(xiàn)已滿足了,而且依據(jù)這些參數(shù)挑選適宜的電感也十分簡略。可是,關(guān)于超低電流、超高頻率開關(guān)電源來說,電感磁芯的非線性參數(shù)對(duì)頻率十分靈敏,其次,頻率也決議了線圈損耗。
關(guān)于通常開關(guān)電源,有關(guān)于直流I2R損耗來說,磁芯損耗簡直能夠忽略不計(jì)。所以通常狀況下,除了“自激頻率“這個(gè)與頻率有關(guān)的參數(shù)外,電感簡直沒有其他與頻率有關(guān)的參數(shù)。可是,關(guān)于超低功率、超高頻率體系(電池供電設(shè)備),這些高頻損耗(磁芯損耗和線圈損耗)通常會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于直流損耗。
大多數(shù)磁芯由粉狀磁性資料和陶瓷等粘合資料構(gòu)成。一個(gè)未使用過的磁芯能夠簡略地幻想成由一層薄薄的粘合資料包裹、彼此獨(dú)立、具有隨機(jī)方向性的很多磁針。因?yàn)楫?dāng)前還沒有能夠極好解說磁芯損耗的共同模型,所以選用上述這個(gè)經(jīng)歷模型解說磁芯損耗,在這篇文章結(jié)尾的參閱文獻(xiàn)中有更深化的磁芯模型,供讀者參閱。
磁性方向近似的附近磁針會(huì)彼此影響,然后構(gòu)成“聯(lián)盟”。盡管這些磁針由粘合資料包裹,物理上彼此獨(dú)立,但它們之間的磁場是彼此相關(guān)的。咱們稱這些“聯(lián)盟”為“單元”。而單元的鴻溝即是內(nèi)部“聯(lián)盟”與外部磁針的切割面。在單元的鴻溝外的磁針比較難與鴻溝內(nèi)的“聯(lián)盟”聯(lián)合。咱們稱這些鴻溝為“單元壁”,這個(gè)模型常用來解說磁芯的許多基本參數(shù)。
在對(duì)磁芯施加磁場時(shí)(對(duì)線圈施加電流),方向不一樣的單元彼此之間有相關(guān)。當(dāng)滿足強(qiáng)的電流構(gòu)成外加磁場時(shí),那些接近線圈的單元所在的磁場更強(qiáng),會(huì)首要構(gòu)成聯(lián)合(更大的單元)。而此刻處在深一層的單元還未遭到磁場的影響。聯(lián)合起來的單元與未遭到影響的單元之間的單元壁會(huì)在磁場的效果下,持續(xù)向磁芯中間移動(dòng)。假如線圈中的電流不吊銷或翻轉(zhuǎn)的話,整個(gè)磁芯都將會(huì)聯(lián)合在一起。整個(gè)磁芯的磁針聯(lián)合在一起,咱們稱為“飽滿”。電感制作商給出的B-H磁滯回線正表明磁芯從被磁化的初始期間到飽滿期間的進(jìn)程。假如將電流削弱,那么單元就會(huì)向自在的初始態(tài)轉(zhuǎn)變,可是有些單元會(huì)持續(xù)堅(jiān)持聯(lián)合的狀況。這種不完全的轉(zhuǎn)化即是剩磁(能夠在磁滯回線中看出)。這種剩磁表象就會(huì)鄙人一次單元結(jié)合時(shí)體現(xiàn)為應(yīng)力,致使磁芯損耗。
每個(gè)周期內(nèi)的磁滯損耗為：
WH=mH×dI
式中積分為磁滯回線中的包含面積,磁芯從初始電感量到峰值電感量,再回到初始電感量的整個(gè)進(jìn)程。而在開關(guān)頻率為F時(shí)的能量損耗為：
PH = F×mH×dI
核算這些溝通損耗看起來好像簡略。可是在高頻、中等通流密度下,狀況將反常雜亂。每個(gè)電路都存在一些對(duì)磁芯損耗有影響的參數(shù),而這些參數(shù)通常都很難量化。比方：離散電容、pcb規(guī)劃、驅(qū)動(dòng)電壓、脈沖寬度、負(fù)載狀況、輸入輸出電壓等。意外的是,磁芯損耗受這些參數(shù)影響很嚴(yán)重。
每個(gè)磁芯資料都有能致使損耗的非線性電導(dǎo)率。正是這個(gè)電導(dǎo)率,會(huì)因?yàn)橥饧哟艌龆诖判緝?nèi)部誘發(fā)會(huì)發(fā)生損耗 “渦電流”。在安穩(wěn)磁通量下,磁芯損耗大致與頻率n次方成正比。其間指數(shù)n會(huì)隨磁芯資料以及制作技術(shù)不一樣而不一樣。通常的電感制作商會(huì)經(jīng)過磁芯損耗曲線擬合出經(jīng)歷的近似公式。
電感參數(shù)
磁感應(yīng)強(qiáng)度B在正激開關(guān)電路中能夠由下式表明：
Bpk = Eavg/(4×A×N×f)
式中Bpk為尖峰溝通通流密度(Teslas);Eavg為每半周期均勻溝通電壓;A為磁芯橫截面積(平方米);N為線圈匝數(shù);f為頻率(赫茲)。
通常來講,磁性資料制作商會(huì)評(píng)價(jià)磁芯的額外電感系數(shù)－AL。經(jīng)過AL能夠很簡略的核算出電感量。
L = N2AL
其間AL與磁性資料的摻雜度成正比,也與磁芯的橫截面積除以磁路長度成正比。磁芯的總損耗等于磁芯的體積乘以Bpk乘以頻率,單位為瓦特/立方米。其與制作資料與制作技術(shù)息息有關(guān)。
線圈損耗包含直流I2R損耗和溝通損耗。其間,溝通損耗首要是因?yàn)橼吥w效應(yīng)和附近效應(yīng)所致使。趨膚效應(yīng)是指跟著頻率的進(jìn)步移動(dòng)的電荷越來越趨于導(dǎo)體外表活動(dòng),相當(dāng)于減小了導(dǎo)體導(dǎo)電的橫截面積,進(jìn)步了溝通阻抗。比方：在2MHz頻率,導(dǎo)體導(dǎo)電深度(從導(dǎo)體外表筆直向下)大約只要0.00464厘米。這就致使電流密度下降到本來的1/e (大約0.37)。附近效應(yīng)是指電流在電感相鄰導(dǎo)線所發(fā)生的磁場會(huì)彼此影響,然后致使所謂的“擁堵電流”,也會(huì)進(jìn)步溝通阻抗。關(guān)于趨膚效應(yīng),能夠經(jīng)過多芯電線(同一根導(dǎo)線內(nèi)含多根細(xì)導(dǎo)線)適度減輕。關(guān)于那些溝通電流紋波遠(yuǎn)小于直流電流的電路,多芯電線能夠有用下降電感的總損耗。
磁芯損耗首要是因?yàn)榇艤硐笠约按判緝?nèi)部傳導(dǎo)率或其他非線性參數(shù)的互感發(fā)生。在Buck拓?fù)洳季种?榜首象限的B-H磁滯回線對(duì)磁芯損耗影響最大。在榜首象限這個(gè)部分圖中,磁滯回線顯現(xiàn)了電感從初始電感量過渡到峰值電感量再回到初始電感量的進(jìn)程。假如開關(guān)電源安穩(wěn)作業(yè)在不接連狀況,磁滯回線會(huì)從剩下電感量(Br)過渡到峰值電感量(參閱圖1)。假如開關(guān)電源作業(yè)在接連狀況,那么磁滯回線將會(huì)從直流偏置點(diǎn)上升到曲線峰值,再回到直流偏置點(diǎn)。經(jīng)過試驗(yàn)?zāi)軌驍喽ù艤鼐�的準(zhǔn)確曲線形狀(基本上是橢圓曲線)。
磁芯損耗測驗(yàn)設(shè)備
測驗(yàn)電感功能的最有用辦法即是將被測驗(yàn)電感放置在結(jié)尾開關(guān)電源電路上,然后對(duì)此電路的功率進(jìn)行丈量。可是,這種測驗(yàn)辦法需求有結(jié)尾電路,不易選用。如今,有一種相對(duì)簡略的測驗(yàn)辦法,能夠在規(guī)劃開關(guān)電源前對(duì)電感的磁芯損耗進(jìn)行測驗(yàn)(在其設(shè)定的開關(guān)頻點(diǎn)上)。首要,將磁芯串連放置在低損耗電容介質(zhì)上(比方鍍銀云母)。然后,用一系列共振模驅(qū)動(dòng)。其間介質(zhì)的電容值需求與被測電感的開關(guān)頻率共同。結(jié)尾選用網(wǎng)絡(luò)分析儀來完結(jié)整個(gè)測驗(yàn)進(jìn)程(信號(hào)發(fā)生器加上一個(gè)射頻伏特計(jì)或許功率計(jì)也能夠完結(jié)測驗(yàn))。測驗(yàn)設(shè)備的布局如圖2所示。
在諧振點(diǎn),低損耗的磁芯能夠當(dāng)作L-C共振回路。此刻損耗能夠等效為一個(gè)純阻元件(包含線圈損耗和磁芯損耗)。在上面的測驗(yàn)設(shè)備中,端子A和R都連接著50Ω電阻。此設(shè)備的開路(不包含電感)等效為150Ω負(fù)載的振蕩器。在網(wǎng)絡(luò)分析儀上能夠表明為：
20×Log(A/R) = 20×Log(50/150) = -9.54 dB
在這個(gè)測驗(yàn)電路中,諧振電容為2000pF,被測電感大約為2.5mH～2.8mH,測驗(yàn)頻率為1kHz。其間,磁性資料的浸透率是一個(gè)與頻率有關(guān)的非線性函數(shù),在更高的頻點(diǎn)上,測驗(yàn)成果有能夠不一樣。
磁芯損耗試驗(yàn)數(shù)據(jù)
一個(gè)相對(duì)磁導(dǎo)率為125mr的單層鐵鎳鉬薄片磁芯,外圍環(huán)繞10/44的多芯電線16匝,另一個(gè)雙層250摻雜度的鎳鐵鉬磁粉芯,外圍環(huán)繞10/44的多芯電線8匝。電感量測驗(yàn)值分別為2.75mHy 和 2.78mHy。榜首個(gè)電感盡管是16匝,可是橫截面積是第二個(gè)電感的一半。在一樣振幅信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下,這兩個(gè)電感的損耗都很高。等效電阻分別為360Ω 和300Ω。相對(duì)的,另一個(gè)電感(2.5mHy)選用Micrometals公司的十分低的摻雜資料(羰基T25-6 ,相對(duì)磁導(dǎo)率為 8.5)。10/44多芯電線34匝。在相同的驅(qū)動(dòng)信號(hào)下,他的等效損耗電阻為22000Ω。
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